普朗克與愛因斯坦的故事——量子光學(xué)時期

2021-06-24 13:45:57

普朗克，量子光學(xué)的創(chuàng)始人，和愛因斯坦一起成為"20世紀(jì)最重要的兩位物理學(xué)家。"。普朗克最大的貢獻(xiàn)，這是能量量子化。普朗克量子理論的核心是， 電磁波的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的， 它是用最小的能量單位 也就是說，“能子”的增減是跳躍式的。 因為量子理論的正式時間 那是1900年12月14日， 因此，12月14日成為“量子日”， 為了紀(jì)念這位偉大的圣人。 靈感來自普朗克， 1905年，愛因斯坦提出了光子假說， 人們認(rèn)為光在空間中是以光量子的形式傳播的， 光子的能量與光的頻率成正比， 光的頻率越高， 光子的能量越多。 光量子假說， 從理論上論證了赫茲的光電效應(yīng)， 他還獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 同年5月， 愛因斯坦提出了狹義相對論， 它開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。 所以1905年被稱為“愛因斯坦奇跡年”。 所以，在20世紀(jì)初， 一方面，確認(rèn)光是電磁波， 另一方面，它證實了光的量子性質(zhì)， 證實了波粒二象性是光的實相。

普朗克向愛因斯坦頒獎

兩人的友誼是建立在科學(xué)研究、理解和支持的基礎(chǔ)上的。

“正因為如此，普朗克才專注于這門科學(xué)中最常見的問題，而不會分散自己對更令人愉快、更容易實現(xiàn)的目標(biāo)的注意力。我經(jīng)常聽到同事們試圖把他的態(tài)度歸因于非凡的意志力和修養(yǎng)，但我認(rèn)為這是錯誤的……”1918年4月，柏林物理學(xué)會為著名物理學(xué)家馬克斯·普朗克舉行60歲生日慶?；顒?，天才科學(xué)家愛因斯坦在會上朗誦了他熱情洋溢的祝賀詞。

這些詞都不是社會性的。普朗克和愛因斯坦既是老師又是朋友。他們有很多友誼，并在科學(xué)界傳播了一個好故事。他們都是具有科學(xué)獨(dú)創(chuàng)性和藝術(shù)性的頂尖科學(xué)家，也是物理學(xué)的代名詞。他們相互作用的故事始于愛因斯坦年（1905年）的一次聚會。

高山流水知己

1905年初春，瑞士伯爾尼專利局的技術(shù)人員愛因斯坦應(yīng)邀參加了德國普朗克莊園的一個由頂尖科學(xué)家參加的家庭聚會。晚會的主題是物理和音樂的交流。

普朗克莊園的主人是著名的熱力學(xué)權(quán)威普朗克，柏林大學(xué)物理學(xué)教授。他不僅對力學(xué)有很深的研究，而且對音樂也有很好的掌握。他擅長彈鋼琴和大提琴。他曾擔(dān)任慕尼黑大學(xué)學(xué)生音樂會的作曲家。他與愛因斯坦的相識是非常偶然的。一個月前，在讀了《物理學(xué)紀(jì)事》中一篇關(guān)于相對論的論文后，他主動聯(lián)系了不知名的作家愛因斯坦。他們交流得很好，現(xiàn)在見面已經(jīng)太遲了。普朗克邀請愛因斯坦到莊園進(jìn)行深入交流。

那一年，普朗克47歲，愛因斯坦26歲，從雙方的年齡和社會影響來看，愛因斯坦自然感到受寵若驚。 

普朗克為科學(xué)和友誼而“改變”

聚會上，普朗克彈鋼琴，愛因斯坦拉小提琴。他們一起演奏貝多芬的名曲。兩人都是被科學(xué)耽誤的音樂家，他們對音樂和物理的熱愛使他們成為知心朋友。然而，沒有人想到他們的量子理論和相對論會成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。

演出結(jié)束時，大家喝了酒，交換了物理知識。普朗克和愛因斯坦討論了量子理論和黑體輻射公式的應(yīng)用。

“我聽說你今年要寫幾篇論文，其中一篇將用量子理論來解釋光電效應(yīng)，對嗎？”普朗克對這個比自己年輕21歲的年輕人評價很高，因為他不知道對方腦子里有多少新奇的想法。

“是的。你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)黑體輻射公式五年了，但是很多人仍然不同意量子理論，”愛因斯坦直接說，“我希望我的論文能讓更多的人相信這個新理論?！?/span>

“非常感謝。你的論文發(fā)表后，我還可以全面闡述黑體輻射公式，總結(jié)量子理論?！逼绽士烁吲d地說。

3月18日，在普朗克莊園會議結(jié)束后，愛因斯坦發(fā)表了一篇題為“光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的啟發(fā)性觀點(diǎn)”的論文。本文認(rèn)為光可以看作是一個具有能量的粒子。光子是量子的一種形式，是著名的“光電效應(yīng)”。量子理論是由普朗克創(chuàng)立的，愛因斯坦豐富了量子理論，提出了新的“光電效應(yīng)”，他們分別于1918年和1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。他們的友誼在科學(xué)研究中得到了升華。

全力支持程伯樂

“奇跡年”最初是天才物理學(xué)家牛頓的專利，這意味著他在1666創(chuàng)立了萬有引力理論，奠定了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。1905，愛因斯坦發(fā)表了六篇“驚天動地”的論文，一舉奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，因此科學(xué)界稱之為“愛因斯坦奇跡年”。六篇論文中的第一篇是關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的啟發(fā)性觀點(diǎn)。

從這篇論文中，普朗克更加關(guān)心愛因斯坦，并充分利用自己的地位幫助和支持這位物理學(xué)新秀。

德國官方馬克2號硬幣使用普朗克肖像（圖片來源：物理網(wǎng)）

同年6月，愛因斯坦向德國權(quán)威物理學(xué)雜志《物理年鑒》提交了一篇題為《運(yùn)動物體的電動力學(xué)》的論文。作為該雜志的總編輯，當(dāng)普朗克第一次看到這篇文章時，他不禁為之鼓掌。然而，他在發(fā)表這篇文章時仍然猶豫不決：文章中提到的相對論（即狹義相對論）很少有人能理解（愛因斯坦以前在其他場合也提到過），德國更難承認(rèn)這位同胞的巨大貢獻(xiàn)；兩本《物理年鑒》是一本權(quán)威雜志，以“半個世紀(jì)前敢于擅自拒絕發(fā)表有關(guān)能量守恒定律的論文”而聞名。

盡管如此，普朗克不僅及時地將狹義相對論引入了德國物理學(xué)界，而且還發(fā)表了《受壓運(yùn)動物體的電動力學(xué)》一文。這是愛因斯坦當(dāng)年發(fā)表的第四篇天才論文。

在歐洲發(fā)表的論文引起軒然大波，一些反對狹義相對論的組織出現(xiàn)在德國，競相批評愛因斯坦。在這方面，普朗克不僅寫了支持狹義相對論的文章，還在各種集會上對愛因斯坦表示支持。他成了最早的相對論保護(hù)者。

除了學(xué)術(shù)上的支持，普朗克還對愛因斯坦表現(xiàn)出博樂式的關(guān)懷。他知道愛因斯坦不善于講課。雖然他從伯爾尼專利局轉(zhuǎn)為伯尼爾大學(xué)作為副教授，講課浪費(fèi)了很多時間。經(jīng)過深思熟慮后，他要求有人給愛因斯坦寄一封特殊的聘書，上面寫著：“愛因斯坦先生是柏林洪堡特大學(xué)的一名講師，他可以選擇教與不教?！?/span>

普朗克（中）和愛因斯坦（圖片來源：物理網(wǎng)）在柏林出席物理學(xué)會會議

后來，以普朗克為首的四位最著名學(xué)者聯(lián)合致函德國教育部，提議選舉愛因斯坦為普魯士科學(xué)院院士。那一年是1913年，也就是相對論被證實的六年前，愛因斯坦紅得發(fā)紫！

正義之聲被移除

第一次世界大戰(zhàn)后，德國納粹黨領(lǐng)袖希特勒迫害猶太科學(xué)家。1933年秋，來自猶太家庭的愛因斯坦被迫去了美國，后來不得不成為美國公民。在憤怒中，希特勒首先要求人們檢查愛因斯坦的住所，燒毀所有書籍，并查封銀行賬戶。隨后，他啟動了一臺宣傳機(jī)器，稱愛因斯坦為“祖國的叛徒”，并懸賞10萬馬克買他的頭。

普朗克剛從國外旅游回來，得到消息后非常焦慮。經(jīng)過深思熟慮，作為德國威廉皇家學(xué)會會長，他向德國科學(xué)院鄭重聲明：“愛因斯坦先生是杰出的物理學(xué)家之一。他在我們科學(xué)院發(fā)表的著作對本世紀(jì)的物理學(xué)作出了巨大貢獻(xiàn)。只有開普勒和牛頓的成就才能與之匹敵。。。我認(rèn)為說這些話很有必要，首先要讓后人不要認(rèn)為愛因斯坦在科學(xué)院的同事不能充分理解他對科學(xué)發(fā)展的意義。”

普朗克為科學(xué)和友誼“改變”（圖片來源：物理學(xué)雙月刊）

希特勒對這一聲明感到憤怒。他沒有當(dāng)場采取行動，而是等了一年多才以其他理由解除普朗克的總統(tǒng)職務(wù)。

附言

普朗克的感激和幫助使愛因斯坦終生難忘。他們既是老師又是朋友，他們之間的友誼在時間的洗禮中變得更加醇厚。這是一種基于科學(xué)研究和相互理解與支持的友誼。除了上述愛因斯坦發(fā)自內(nèi)心的對普朗克60歲生日的衷心祝賀外，還可以看到愛因斯坦在1947年普朗克逝世后的悼詞，悼詞對普朗克做出了公正的評價，其部分句子如下：

“一個用偉大的創(chuàng)意造福世界的人，不需要后人的贊揚(yáng)。他（普朗克）的成就本身給了他更高的回報(量子理論）打破了經(jīng)典力學(xué)和電動力學(xué)的整體框架，為科學(xué)提出了一項新的任務(wù)：為所有物理學(xué)找到新的概念基礎(chǔ)